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青岛科技大学研究生学位论文 肛马来酰化壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 摘要 智能水凝胶是在水中溶胀而不溶解的交联网络状高分子聚合物，是对外界刺 激如温度、p h 值、光、离子强度、磁场等能产生敏感响应性行为的一类水凝胶。 尤其温度及p h 敏感性水凝胶，其溶胀退溶胀行为受环境温度及p h 值控制，在 生物、医药及组织工程领域具有潜在的应用前景。由于聚- 异丙基丙烯酰胺 ( p n i p a a m ) 类温敏性水凝胶相转变温度( 3 2o c 附近) 与人体的生理温度相近，一直 受到人们极大的关注。壳聚糖具有生物相容性好、易生物降解、无毒、环境友好 等特性，在生物医学领域中有着广泛的用途。本文采用壳聚糖与马来酸酐的酰化 反应，合成水溶性可降解的- 马来酰化壳聚糖( n - m a l e l yc h i t o s a n ，l v - m a c h ) ，以 n - m a c h 为交联剂、异丙基丙烯酰胺( n i p a a m ) 和衣康酸( l 吣为单体原料，合 成系列具有温度和p h 值敏感性可生物降解的聚- 异丙基丙烯酰胺衣康酸 p ( n i p a a m t a ) 水凝胶。研究了水凝胶的温敏性、p h 敏感性、溶胀性、溶胀动力 学、退溶胀动力学、热力学稳定性和水凝胶结构形态，并对水凝胶样品的可生物 降解性做了初步的研究。 1 、n - m a c h 交联p ( n i p a a m g o 幽水凝胶中交联剂用量对水凝胶的体积相 变温度( v o l u m ep h a s et m a s i t i o nt e m p e r a t u r e ，v p m 值无显著影响，v p t r 值随 着衣康酸用量的增加而逐渐增大。 2 、在2 5o c 时，n - m a c h 交联p ( n i p a a m c o t a ) 水凝胶在模拟肠液p b s ( p h = 7 4 ) 溶液、蒸馏水和模拟胃液( p h = 1 2 ) 中的饱和溶胀率基本上均大于1 5g 倌； 在3 7o c 时，n - m a c h 交联p ( n i p a a m c 0 t a ) 水凝胶在上述三种介质中的溶胀率 均比2 5o c 低。随着衣康酸用量的增加，水凝胶的饱和溶胀率逐渐增大。随着交 联剂用量的增加，水凝胶的饱和溶胀率逐渐减小。 3 、n - m a c h 交联p ( n t p a a m c o i g ) 水凝胶的饱和溶胀率随着缓冲溶液p h 值的增大呈现出先减小后增大的趋势，即在酸性和碱性缓冲溶液中饱和溶胀率较 大，而在中性缓冲溶液中较低，因此具有明显的p h 值敏感性。 4 、在2 5o c 时，n - m a c h 交联p ( n i p a a m c o t a ) 水凝胶在蒸馏水和p b s ( p h = 7 4 ) 缓冲溶液中具有快速的溶胀速度，在8h 左右溶胀达到平衡。随着交联剂 用量的增加，水凝胶的溶胀速率和饱和溶胀率不断减小。 - 马来酰化壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 5 、n - m a c h 交联p ( n i p a a m c o i a ) 水凝胶在4 5o cp b s ( p h = 7 4 ) 缓冲溶液 中可快速收缩失水发生退溶胀现象。水凝胶样品的退溶胀速率随结构中衣康酸和 交联剂用量的增加而下降。 6 、水凝胶的热失重分析表明，n - m a c h 交联p ( n i i a a m c o i a ) 水凝胶具有 良好的热解稳定性。 7 、通过扫描电镜观察得知，n - m a c h 交联p ( n i p a a m c o i g ) 水凝胶具有较 大的孔径结构，有利于水分子的自由进出。随着交联剂用量的增加，水凝胶的结 构变得较致密。 8 、在3 7o c 下，n - m a c h 交联p ( n i p a a m c o t a ) 水凝胶在p b s ( p h = 7 铆缓 冲溶液中的自然降解速度较慢，降解程度较低。水凝胶自然降解的速度与程度随 着交联剂和衣康酸用量的增加而降低。 9 、在3 7o c 下，n - m a c h 交联p ( n i p a a m c o i a ) 水凝胶在溶菌酶溶液中较 短时问内有较大程度的降解。水凝胶降解的速度与程度也随着交联剂和衣康酸用 量的增加而降低。表明在水凝胶体系中引入壳聚糖交联剂能够较大程度地提高水 凝胶的生物降解性能，有望将其应用于生物工程材料领域。 关键词：壳聚糖，- 异丙基丙烯酰胺，水凝胶，温敏性，p h 敏感性，可生物 降解性 青岛科技大学研究生学位论文 s t n t h e s i sa n dc h a ra c t e r i z a t i o n o f t h e r m o r e s p o n s i v eh y d r o g e l sc r o s s l i n k e d w i t h 二m l l e l yc h i t o s a n a b s t r a c t i n t e l l i g e n th y d r o g e l sa r eh y d r o p h i l i cp o l y m e r st h a ta r ec r o s s l i n k e dt o f o r m i n s o l u b l e ，w a t e r - s w e l l a b l en e t w o r k s ，w h i c hh a v et h ec a p a b i l i t yt or e s p o n dt os m a l l e x t e r n a ls t i m u l u sc h a n g e s ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，p h ，l i g h t ，i o n i cs t r e n g t h ，m a g n e t i c f i e l da n ds oo n e s p e c i a l l y , t h et e m p e r a t u r e a n dp h r e s p o n s i v eh y d r o g e l sw h o s e s w e l l i n ga n dd e s w e l l i n gb e h a v i o r sa r ec o n t r o l l e db yt e m p e r a t u r ea n dp h ，h a v e p r o m i s i n gp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fd r u gd e l i v e r ys y s t e m ，b i o m a t e r i a l c u l t u r ea n dt i s s u ee n g i n e e r i n g p o l y ( n - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ) ( p n 暇) h y d r o g e li s t h eb e s tk n o w nt e m p e r a t u r er e s p o n s i v eh y d r o g e lt h a th a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nf o r b i o m e d i c a lu s eb e c a u s eo fi t sv o l u m ep h a s et r a n s i t i o n ( v p t ) b e h a v i o ra r o u n d3 2o c i na na q u e o u ss o l u t i o n ，w h i c hi sc l o s et ot h ep h y s i o l o g i c a lt e m p e r a t u r e d u et ot h e b i o c o m p a t i b i l i t y , b i o d e g r a d a b l e ，n ot o x i c i t ya n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d s h i p ，c h i t o s a ni s p o t e n t i a l l yw i d e l ya p p l i e di nb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , s o l u b l ea n d b i o d e g r a d a b l ec r o s s - l i n k e rn - m a l e y lc h i t o s a n ( n - m a c i - i ) w a ss y n t h e s i z e dw i t h c h i t o s a n ( c s ) a n dm a l e i ca n h y d r i d e ( m a ) a sm a t e r i a l s w i t hn - m a c hc r o s s l i n k e r , a s e r i e so fc r o s s - l i n k e d p o l y ( n - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e - - c o - i t a c o n i ca c i d ) 【p ( n i p a a m c o i a ) 】h y d r o g e l s w e r e p r e p a r e d ， a n dt h e i r p h - a n d t e m p e r a t u r e - r e s p o n s i v eb e h a v i o r s ，w a t e rc o n t e n t s ，s w e l l i n g d e s w e l l i n gk i n e t i c s ，t h e t h e r m o d y n a m i c sa n dt h em o r p h o l o g yo ft h eh y d r o g e l sw e r ei n v e s t i g a t e d a tl a s t , a p r e l i m i n a r ys t u d yo ft h eb i o d e g r a d a b l eb e h a v i o r so fp ( n w a a m - c o - t a ) h y d r o g e l s w a si n v e s t i g a t e d 1 t h ea m o u n to ft h en - m a c hc r o s s l i n k e rd i dn o ti n f l u e n c et h ev o l u m ep h a s e t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( v t ob e h a v i o ro fh y d r o g e l se v i d e n t l y , w h i l et h ev p t r0 f h y d r o g e l sw a ss i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db yw e i g h tr a t i oo ft h en i p a a m a a 2 t h ew a t e rc o n t e n to fn - m a c h - c r o s s - l i n k e dp ( n w r a m - c o - t a ) h y d r o g e l sw a s n l - 马来酰化壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 c o n t r o l l e db yt h ew e i g h tr a t i oo fn i p a a m 玲s w e l l i n gm e d i a ，c r o s s - l i n k e rc o n t e n t a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h em e d i a t h es w e l l i n gr a t i oo ft h eh y d r g e l sw a si n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s eo fi ac o n t e n t ，w h i l ed e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc r o s s - l i n k e r c o n t e n t t h ew a t e rc o n t e n tw a sh i g h e ri nw a t e rt h a ni no t h e rm e d i u m t h es w e l l i n g r a t i oo ft h eh y d r g e l sw a sh i g h e ra t2 5 。ct h a na t3 7 。c 3 t h es w e l l i n gb e h a v i o ro ft h ep ( n i p a a m - c o 一脚h y d r o g e l sw a ss t r o n g l y d e p e n d e n to nt h ep ho ft h es w e l l i n gm e d i u m t h es w e l l i n gr a t i oo ft h eh y d r o g e l si n a c i d a l k a l i n eb u f f e rs o l u t i o n sw a sh i g h e rt h a nt h a ti nt h en e u t r a ls o l u t i o n 4 a l lt h ep ( n i p a a m c o i a ) h y d r o g e l se x h i b i t e df a s ts w e l l i n gk i n e t i c si nd w a n dp b sa t2 5 。c ，a n da l lo ft h e mc o u l dr e a c h e ds w e l l i n ge q u i l i b r i u mw i t h i n4 8 0m i n t h es w e l l i n gr a t i o so ft h eh y d r o g e ld e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec r o s s _ l i n k e r c o n t e n t 5 t h e d e s w e l l i n g k i n e t i c so fn - m a c hc r o s s l i n k e dp ( n i p a a m c 0 一i a ) h y d r o g e l sw e r es t u d i e d t h ed e s w e l l i n gr a t e so ft h eh y d r o g e lw e r ed e p e n d e n to nt h e c o n t e n to fi aa n dc r o s s 1 i n k e r 6 t h et h e r m o d y n a m i c ss t a b i l i t yw a sc h a r a c t e r i z e db yt h e r m o g r a v i m e t r y t h e r e s u l ts h o w e dt h a tt h eh y d r o g e lh a dag o o dt h e r m a ls t a b i l i t y 7 t h em o r p h o l o g yo ft h eh y d r o g e l sw a se s t i m a t e db yt h ef i e l ds c a r le l e c t r o n m i c r o s c o p y t h ep ( n i p a a m c o - 蚴h y d r o g e lh a dm a c r o p o r o u s n e t w o r ks t r u c t u r e w h i c hc o u l dm a k ew a t e re a s i e rt od i f f u s ei no ro u to ft h em a t r i x 8 t h ed e g r a d a t i o no ft h en - m a c hc r o s s l i n k e dp ( n i p a a m c o t a ) h y d r o g e l s 舔 af u n c t i o no ft i m e si nt h ep b sa t3 7o cw e r es t u d i e d t h eb r e a k d o w no ft h eh y d r o g e l s w a sd e p e n d e n to nt h ec r o s s - l i n k i n gd e n s i t y , t h ew e i g h tr a t i oo fn i p a a m i a 9 i ne n z y m a t i cd e g r a d a t i o ns t u d i e s ，b r e a k d o w no ft h en - m a c hc r o s s - l i n k e d p ( n i p a a m c o t a ) h y d r o g e l sw a sd e p e n d e n to nt h ec r o s s - l i n k i n gd e n s i t y , t h ew e i g h t r a t i oo fn i p ：a a m ，i a k e yw o r d s ：c h i t o s a n ，n - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ，h y d r o g e l ，t h e r m o r e s p o n e ， p h - r e s p o n s i v e ，b i o d e g r a d a b l e i v 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 圩牛 日期：砂c ) 7 年易月细 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密阢 ( 请在以上方框内打“ ) 本人签名： 吁耷同期：纱口夕鼍急乡孑振苛导师签名：万冰叮 日期：栌9 年厂月，占日 6 1 青岛科技人学研究生学位论文 1 1 智能材料与水凝胶 第一章前言 材料、能源和信息技术是2 1 世纪新科技革命的三大支柱，特别是新材料技 术，它是信息、能源技术发生根本变革的基础。随着科学技术和经济的快速发展， 资源、环境、医药与健康成为人们越来越关注的问题，而新材料的发现以及相关 的应用高技术是解决这些问题的重要基石。材料发展的总趋势也可以概括为：高 性能化高功能化、复合化、精细化和智能化、模糊化。在尖端材料领域中，高分 子材料以其独有的特性和巨大的发展潜质，成为在产业与民生中最广泛应用的结 构与功能新材料，吸引众多科研人员争相研究。而智能材料( i n t e l l i g e n tm a t e r i a lo r s m a r tm a t e r i a l ) 就是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。 智能材料是指具有感知环境( 包括内环境和外环境) 刺激，对之进行分析、处理、 判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征材料，其智能性主要体现在以 下几个方面：( 1 _ ) 具有感知功能，能够检测并识别周围环境的变化，如应力、应 变、热、光、电、磁及核辐射等；( 2 ) 具有驱动特性及响应环境变化功能；( 3 ) 能 以设定的方式选择和控制响应；( 4 ) 反应灵敏恰当；( 5 ) 在刺激消除后能够迅速恢 复到原始状态。 智能材料全部的构思源于仿生，目标是要获得类似人的各种功能的“活的 材料，即过去材料包含的物性和功能性两方面的基础上加入了信息学科的内容， 使材料系统微结构中集成智能与生命特征，达到减小质量，降低能耗，并产生自 适应功能，因而受到材料科学、微电子、医药学及生物工程等方面学者的关注。 而作为智能材料中具有刺激响应性的高分子凝胶也越来越受到人们的重视和研 究。 凝胶由三维网络结构的高分子和充塞在高分子网络间隙中的介质构成，介质 可以是气体，但一般情况下皆为液体，可将凝胶看作是高分子三维网络包含了液 体的膨润体。高分子网络包裹住液体，不让液体流出，起到了容器的作用。在通 常情况下，凝胶兼具固体和液体两方面的性质。智能高分子凝胶是由具有三维交 联网络结构的聚合物与低分子介质共同组成的多元体系，其大分子主链或侧链上 含有离子解离性、极性或疏水性基团，当溶剂的组成、p h 值、离子强度、温度、 光强度和电场等刺激信号发生变化时，或受到特异的化学物质的刺激时，凝胶的 体积会发生突变，呈现体积相转变行为( 溶胀相一收缩相) 。即当凝胶受到外界刺 激时，凝胶网络内的链段有较大的构象变化，呈现溶胀相或收缩相，因此凝胶系 - 马来酰化壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 统发生相应的形变。一旦外界刺激消失时，凝胶系统又自动恢复到内能较低的稳 定状态。所以，可以通过控制高分子凝胶网络的微观结构与形态，来影响其溶胀 或伸缩性能，从而使凝胶对外界刺激做出灵敏的响应，表现出智能特性。 凝胶可以按多种方式进行分类1 1 1 。按其来源分类，可分为天然凝胶和合成凝 胶；按网络中的不同液体分类，可分为水凝胶和有机凝胶；按交联方式分类，可 分为化学凝胶和物理凝胶；按相应刺激信号分类，可分为温敏凝胶、p h 敏感凝 胶、光敏凝胶等。其中，水凝胶是最常见也是最为重要的一种，绝大多数生物体 内存在的天然凝胶以及许多合成高分子凝胶均属于水凝胶。 水凝胶是一种轻度交联的三维空间网络状聚合物，是一类具有亲水性但不能 在水中溶解而只能发生溶胀的高分子材料，是自然界中普遍存在着的一种物质形 态，能吸收几十倍至上千倍于自身重量的水分，吸收的水分不能通过简单的物理 方法挤出，具有很强的保水性；吸水速率快，可在几分钟内达到自身重量上百倍 的吸水量。水凝胶之所以具有如此特点是因为它具有奇特的结构。从化学结构上 看，大多数吸水性水凝胶网络的主链或侧链上含有羧基、羟基等强亲水性官能团， 这些亲水基团与水的亲和作用是其吸水的主要内因；从物理结构看，要实现其高 亲水性，凝胶必须有一个交联的三维网络，网络的骨架可以是淀粉、纤维素等天 然高分子，也可以是聚丙烯酰胺类等的合成聚合物。水凝胶的本征性能完全取决 于聚合物网络的结构，高度亲水、弹性好的网络有高的吸水能力和吸水速率。水 凝胶具有优良的理化性质和生物学性质，可控制药物释放，并具有生物粘附、生 物相容和可生物降解等特性，目前己用于缓释、脉冲释放、触发式释放等新型给 药系统的研制。根据水凝胶对外界刺激的应答情况，水凝胶可分为两大类：一类 是传统的水凝胶，这类水凝胶对环境的变化如温度和p h 值的变化不特别敏感； 另一类是环境敏感的水凝胶，这类水凝胶在相当广的程度上对诸如温度或p h 值 的变化所引起的刺激有不同程度的应答，具有智能性，即智能水凝胶【刎。 1 2 智能水凝胶的常见类型 通常定义智能水凝胶是指对外来刺激具有可逆响应性，在水中可以溶胀的凝 胶。当水凝胶所处的环境发生细微的物理化学变化，如温度、p h 值、离子强度、 电场、介质、光、磁场、化学物质等【5 以1 】发生变化时，水凝胶的形状、力学、光 学、渗透速率、识别性能随之发生敏锐响应，即突跃性变化，并随着刺激因素可 逆性变化，水凝胶的突跃性变化也具有可逆性。因此也称为环境敏感性水凝胶。 根据对外界刺激的响应情况，智能型水凝胶可分为：温度响应性水凝胶、p h 响 应性水凝胶、光响应性水凝胶、电场响应性水凝胶、化学信号响应性水凝胶、盐 响应性水凝胶等。 2 青岛科技大学研究生学位论文 1 2 1 温敏性水凝胶 温敏性水凝胶是指它对环境的温度变化能产生响应，即当周围环境温度发生 变化时，水凝胶自身的性质随之改变。目前研究较多的是随温度变化而发生体积 相转变的水凝胶，当环境温度发生微小变化时，水凝胶的体积会随之发生数倍或 数十倍的变化，当温度达到并超过某临界区域时，甚至会发生不连续的突跃性变 化，即所谓体积相转变( v o l u m ep h a s et r a n s i t i o n ) 。例如，聚- 异内基内烯酰胺 ( p n i p a a m ) 水凝胶由于侧链中既含有亲水性的酰胺基又含有疏水性的异丙基而 成为一种典型的温敏水凝胶，它3 2o c 左右存在着相转变温度( v o l u m ep h a s e t m a s i t i o nt e m p e r a t u r e ，v p t t l 。当环境温度在该水凝胶的v p t t 附近发生变化 时，凝胶体积会随之发生数倍或数十倍的变化，甚至发生不连续的突跃性变化【l 引。 如图1 1 所示( r = c h ( c h 3 ) 2 ) ，当溶胀温度低于v p t t 时，由十氢键作用使凝胶 吸水溶胀，表现出良好的亲水性；而当温度高于v p t t 时，疏水基闭开始聚集， 高分子链收缩并相互缠绕，凝胶收缩，释放出几乎其吸收的全部水分。由于网络 结构中亲水疏水平衡的破坏而形成坍塌的、去水化的疏水状态。 。么 o o o o o o0 c o o o ： o 图1 - 1 温敏性水凝胶的体积相转变 f i g u r e i 一1t h ev p t to ft h et h e r m o r e s p o n s i v eh y d r o g e l s p ( n i p a a m ) 水凝胶由于其v p t t 在3 2 0 c 左右，若调节聚合物骨架中的亲水 组分和疏水组分，其v p t t 值还可上下变化，因此受到越来越多科研人员的青睐 1 3 1 9 1 。王昌华等f 2 0 1 利用内烯酸( 3 磺酸钾) 丙酯( s p a p ) 作为阴离子，与n i p a a m 在 少量交联剂n , n - 亚甲基双丙烯酰胺( m b a ) 存在下共聚合，制备的 p ( n i p a a m s p a p ) 水凝胶在人体温度( 3 7o c ) 附近存在着体积相转变现象。此外， 凝胶的v p l v r 值尚与外界体系的无机盐浓度、p h 值等因素有关。s c h i l d 等【2 l 】的 研究结果表明，随着体系无机盐浓度的增加，p n i p a a m 的v p t t 呈下降趋势。 h e a l y 等f 2 2 埘】合成了可注射型聚异丙基丙烯酰胺水凝胶，在较低温度下水凝胶具 - 马来酰化壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 有一定的流变性能，可用一定口径的注射器注入体内；在较高温度下，凝胶因收 缩而固化，可以将细胞固定在待修复部位，作为组织工程细胞支架材料，可以支 持组织生长，用于组织修复。 1 2 2p h 敏感性水凝胶 p h 刺激响应性水凝胶【2 5 搦1 是其体积等性质随p h 值变化的高分子凝胶。这 类凝胶大分子网络中具有在一定条件下易水解或质子化的酸性或碱性基团，如羧 基和氨基等。这些基团的解离受外界p h 的影响，当外界p h 变化时，这些基团 的解离程度相应改变，造成内外离子浓度改变，网络结构和电荷密度发生变化， 并对凝胶网络的渗透压产生影响。另外，这些基团的解离还会破坏凝胶内相应的 氢键，使凝胶网络的交联点减少，造成凝胶网络结构发生变化，引起高分子凝胶 的体积变化。 p h 敏感性水凝胶通常含有可离子化基团，可分之为阴离子型、阳离子型和 两性离子型。阴离子型p h 值敏感性水凝胶的可离子化基团一般为c 0 0 h ，聚丙 烯酸类水凝胶( 含有大量一c o o h ) 通常在p h 值较低的介质中处于收缩状态，在 p h 值处于弱酸至弱碱之问时，溶胀率急剧增大，当介质的碱性再大时，凝胶又 处于收缩状态。这主要是因为在介质的p h 值较低时，可离子化基团的离解度较 低，静电斥力对凝胶的溶胀几乎没有贡献，此外在p h 值较低时，阴离子基团之 间存在较强的氢键使得凝胶缠绕在一起呈收缩态，水分子难以进入凝胶；随着 p h 值升高，中和作用增强，离解度迅速增大，静电斥力使网络形变加大，溶胀 率逐渐增大；当溶液的p h 值继续升高时，溶液的离子强度也随之增大，导致水 凝胶网络收缩。此外，交联剂用量、单体浓度以及交联剂的官能团数，会直接影 响网络的结构，对凝胶的溶胀率有很大的影响。 阳离子型水凝胶的p h 敏感性主要来自链上碱性基团的质子化，其溶胀机理 同阴离子型p h 敏感水凝胶相似。s i e g e l 等【2 9 】合成了甲基丙烯酸烷酯与m - 二甲 基氨乙基丙烯酸酯共聚物水凝胶，其可质子化基团为叔胺基团。在低p h 环境下， 叔胺基团质子化引起凝胶溶胀，而在高p h 环境下，叔胺基团失去质子，凝胶收 缩。 两性型p h 敏感水凝胶骨架含有一定比例的酸性、碱性基团，研究表明酸性 基团在高p h 值时离子化，碱性基团则在低p h 值时质子化，使其在整个p h 范 围内都有一定的溶胀率，特别是在p h 较高和较低处，溶胀率均很大，而在中小 性p h 左右则较小。杨黎明等l 刈采用辐照法制备了壳聚糖聚丙烯酸共聚水凝胶， 在低p h 值和高p h 值处都有较好的溶胀性能，而在中性p h 左右溶胀度较低( 如 图1 2 所示) 。 4 青岛科技大学研究生学位论文 m i d d l eo hr a n g e n h 3 + 一c o o ，+ h a o - _ 生一n h 3 + - o o c 一厶一n h 3 + + 一c o o h 图1 - 2 不同p h 值下c s p a a c 水凝胶的溶胀行为 f i g u r el - 2t h es w e l l i n gb e h a v i o ro fc s p a a ch y d r o g e li nd i f f e r e n tp h 1 2 3 光敏感性水凝胶 光敏性水凝胶是指凝胶体积在受光刺激时可发生突变的一类水凝胶。在通常 情况下，水凝胶的光刺激溶胀体积变化是由其光敏性部分经光辐照转变成异构体 引起的1 3 l 】。这类反应为光异构化反应，而其光敏部分即为光敏变色基团，反应常 伴随此类发色团物理和化学性质的变化如偶极矩和几何结构的改变，这就导致具 有发色团聚合物性能的改变。例如，三苯甲烷无色染料衍生物一般呈中性，经紫 外照射后发生离解而形成抗衡离子。利用这种特性，m a m a d a 等【3 2 1 将三苯甲烷无 色染料衍生物和- 异丙基丙烯酰胺( n i p a a m ) 共聚制备出光敏感的水凝胶。在某 一温度下，水凝胶在紫外光的照射下发生不连续溶胀，停止照射后发生收缩。另 外，在紫外照射状态下，凝胶随着温度变化显示不连续的体积变化，而紫外光照 射停止时，凝胶的体积变化是连续的。利用这种性质可以将凝胶应用于光能转化 为机械能的执行元件等方面。s u z u k i 和t a n a k a 掣3 3 l 在p n i p a a m 凝胶中引入叶 绿素，光照时叶绿素吸收光使其微环境温度升高，凝胶收缩。反之，凝胶溶胀。 他们测得直径5p m 的凝胶响应时间约为5m s 。这种材料可被用于制作人工“肌 肉 、化学开关以及记忆材料。 - 马米酰化壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 1 2 4 电敏感性水凝胶 水凝胶的电场敏感效应是指凝胶随外加直流电场的变化而发生的体积转变 现象。此类水凝胶中都有可离子化基团，如带负电的聚电解质凝胶等。在电场作 用下，高分子离子被固定在网络上不能移动，而低分子离子则在电场下带着周围 的水分子一起泳动，引起凝胶的电收缩。o s a d a 等【3 q 正是利用电解质凝胶在电场 中的运动行为成功地研制出了人工爬虫( g e ll o o p e r ) ，在世界上首次使用凝胶材 料人工实现了动物一样的柔软动作。k i m 等【3 5 l 报道了p 雌水凝胶在直流电 场作用的药物释放行为。当电场施加于浸泡在n a c l 溶液中的凝胶时，电化学反 应产生的离子在电吸引力作用下向相反的电极移动，导致局部p h 梯度变化，影 响载有药物凝胶的药物释放行为。 1 2 5 化学敏感性水凝胶 有些凝胶的溶胀行为，会因特定物质( 如糖类) 的刺激而发生体积突变，例如 药物释放凝胶体系依据病灶引起的化学物质进行自反馈，通过凝胶的溶胀与收缩 控制药物的释放，最具有代表性的葡萄糖敏感型智能系统是利用了p h 值敏感型 高分子和葡萄糖氧化酶( g l u c o s eo x i d a s e ) 的系统。在p h 值敏感型高分子组成的水 凝胶内包埋葡萄糖氧化酶后，葡萄糖浓度升高时，葡萄糖受葡萄糖氧化酶作用而 变为葡萄糖酸( g l u c o n i ca c i d ) ，凝胶内的p h 降低，凝胶溶胀，释放出内部所贮存 的胰岛素( i n s u l i n ) 。i s h i h a r a 掣3 6 】采用甲基丙烯酸n ，n 二乙氨基7 , 酯( d m a e m ) 、 甲基丙烯酸2 羟基丙酯( h p m a ) 、a a m 组成共聚物制备成葡萄糖氧化酶载体膜， 发现葡萄糖存在时膜的透过性增高，可以释放出胰岛素。 1 2 6 盐敏性水凝胶 盐敏感性水凝胶指在外加盐的作用下，凝胶的溶胀率或吸水性发生突跃性变 化。盐对凝胶膨胀的影响与其结构有关。这类水凝胶的正负带电基团位于分子链 的同一侧基上，并以共价键结合在一起，二者可发生分子内和分子间的缔合作用。 小分子盐的加入可屏蔽、破坏大分子链中正负基团的缔合作用，导致分子链舒展， 因而，凝胶的膨胀行为得到改善。这类水凝胶其突出优点是凝胶在盐溶液中的溶 胀行为呈现所谓的反聚电解质行为，即在一定条件下凝胶在盐中的溶胀比不随外 加盐浓度增加而减小，而是随外加盐浓度增加而增加【3 7 1 。 以上介绍的都是单一信号响应性水凝胶。由于环境的复杂性，近年来人们对 具有多重敏感性水凝胶的研究越来越感兴趣，研究最多的是双重敏感水凝胶，如 p h n 度敏感水凝胶、光热敏感水凝胶、电热敏感水凝胶等。其中以p h 温度敏 感水凝胶的研究尤为活跃1 3 引。即将p h 敏感性聚合物和温度敏感性聚合物通过 接枝聚合、嵌段共聚或用互穿网络合成的聚合物水凝胶，都具有温度p h 双重敏 6 青岛科技大学研究生学位论文 感性，其中各聚合物链都还独立地具有各自不同的刺激响应性。例如，聚丙烯酸 ( e h h ) 为p h 敏感性水凝胶，聚异丙基丙烯酰胺( p n m 讹n ) 为温敏性水凝胶， 而h o f f m a n 等烨l 把聚丙烯酸( 】陵a ) 接枝到聚i 异丙基丙烯酰胺( p m p a a m ) 形成的 水凝胶具有p h 温度双重敏感性，将对胃有刺激作用的吲哚美辛药包埋在此凝胶 中，在胃液p h 值为1 4 时只有少量药物释放，但在肠液的p h 值为7 4 时药物很 快释放。因此可减少药物的副作用而达到定向释放的目的。t a e 等【4 5 】以具有温敏 性的n i p a a m 和具有p h 值敏感性的j _ 二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺为单体 共聚，形成的水凝胶在p h 值为7 4 的条件下，在温度为3 7 时发生相变，胰岛 素在其中的释放发生明显变化。 1 3 智能水凝胶的体积相转变 高分子凝胶之所以能随环境刺激因子变化而发生相转变，是因为体系内存在 几种相互作用力：范德华力、氢键、疏水相互作用力及静电作用力。正是由于这 些力相互组合和竞争使凝胶溶胀或收缩，因而产生体积相转变。 1 范德华力 范德华力一般包括三部分：取向力、诱导力、色散力。在大的溶质分子间近 距离的相互作用为色散力。它在非极性有机溶剂体系的凝胶中起重要作用。 2 氢键 含氧、氮等负电性大的原子的凝胶大分子，容易形成氢键，它在凝胶相转变 中作用很大。当形成氢键时，大分子将以特定方式排列而收缩，温度升高时氢键 容易破坏，因此凝胶往往在较高温度下溶胀。 3 静电相互作用力 静电相互作用力源于大分子链上电荷基团的正、负离子相互吸引。例如弱酸 性的丙烯酸和强碱性的季铵盐合成两性凝胶时，当介质接近中性时凝胶收缩，在 p h 高的碱性和p h 低的酸性条件下溶胀。原因是凝胶处于中性时，其弱酸性和 强碱性离子基团解离，正、负离子间产生静电引力作用，凝胶收缩。而在碱性或 酸性介质中，电离基团只能单方解离，凝胶网络上的正一正、负一负电荷相斥， 凝胶溶胀。 4 疏水相互作用力 疏水相互作用力是美国麻省理工学院的用中丰一教授提出了一种观点：他认 为凝胶的不连续体积相转变是溶胀力和收缩力相互竞争的结果。由于分子间相互 作用力的微妙平衡，使凝胶网络构象发生变化。斥力为主时凝胶溶胀，引力占主 导地位则凝胶收缩。他还指出，凝胶网络中间存在除了范德华力、氢键和静电相 7 - 马来酰化壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 互作用外，还存在疏水相互作用力。疏水相互作用存在于大分子链的疏水基团之 间，例如聚异丙基丙烯酰胺在水中溶胀时，疏水性异丙基周围的水分子问形成氢 键，疏水性基团间产生相互作用，大分子链间相互吸引。温度升高时，凝胶网络 为疏水基团保护，水不容易进入网络，使凝胶不能溶胀，其大分子网络处于聚集 状态。 1 4 水凝胶的溶胀机理 高分子凝胶是由具有网状结构( 交联结构) 的高聚物和溶剂组成的，具有网状 结构的高聚物不能为溶剂所溶解，但能吸收大量溶剂而溶胀。交联高聚物的溶胀 过程，实际上是两种相反趋势的平衡过程：溶剂力图渗入到网络内使体积膨胀， 导致三维分子网络的伸展；同时，交联点之问分子链的伸展降低了它的构象熵值， 分子网络的弹性收缩力，力图使分子网络收缩。当这两种相反的倾向相互抵消时， 就达到溶胀平衡。高分子凝胶的溶胀特性与自身的结构和溶剂的性质、温度、压 力以及网络的交联度有关。一般说来，凝胶的溶胀经历三个过程：溶剂小分子向 网络的扩散；溶剂化作用引起高分子链段松弛；高分子链向空间伸展( 协同扩散) 。 凝胶在吸水前，高分子长链相互靠拢缠绕在一起。彼此交联成网状结构，高 分子网络是固态网束，未电离成离子对，当高分子遇水时，亲水基团与水分子的 水合作用，使高分子网束伸展，产生网内外离子浓度差；若高分子网结构中含有 一定数量的亲水离子，网结构内外产生渗透压，水分子以渗透压作用向网结构内 渗透。如被吸附水中含有盐，则由于阴阳离子的屏蔽作用，使渗透压下降，吸水 能力降低，故亲水基离子产生的渗透压是水凝胶吸水的动力因素。水凝胶三维空 间网络的孔径越大，吸水倍率越高；反之，孔径越小，吸水倍率越低。凝胶的网 络结构是能够吸收大量水的结构因素。 1 5 水凝胶材料的制备方法 水凝胶的交联方式主要有化学交联和物理交联。由化学交联形成的凝胶称为 化学凝胶，而由物理交联形成的凝胶称为物理凝胶。物理交联通过物理作用力如 静电作用、离子相互作用、氢键、链的缠绕等形成。化学凝胶是通过热、引发剂、 光、射线、等离子体、电场等的能量可形成由共价键构成的交联结构。合成水凝 胶可以采取交联聚合，接枝共聚，互穿网络等方法制备。 1 5 1 交联聚合 水凝胶的交联聚合是由一种或多种单体在交联剂存在下，在本体或在溶液中 8 青岛科技人学研究生学位论文 进行的交联聚合反应。在交联聚合中常用化学引发剂引发聚合，所用的引发体系 有：过氧化物，过硫酸盐，偶氮类；氧化还原引发剂，氧化剂如过硫酸铵，还原 剂有亚硫酸盐等：也可以使用辐射，紫外照射。辐射聚合不需要引发剂，并能用 于任何单体的聚合。 单体的交联聚合是最重要的制备方法有本体聚合法、溶液聚合法、反相乳液 聚合法和反相悬浮聚合法。其中溶液聚合和反相悬浮聚合是合成水凝胶材料的两 种最重要的聚合实施方法。 本文采用溶液聚合法，在水溶液中进行自由基聚合反应，以过硫酸铵和 ，- 四甲基乙二胺为联合催化剂引发反应，在室温下聚合。自由基聚合反应， 通常包括链引发、链增长、链终止三步基元反应。其共聚反应机理如下： 1 链引发 引发剂( 过硫酸铵) 分解生成初级自由基。引发剂的分解是吸热反应，活化能 高，反应速率小，为聚合反应的主要控制步骤： 2 链增长 o _ 2 n h 4 一o - s 一o o 初级自由基进攻单体，使其